4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Dasar Turbin Air Sistem mikrohidro telah dikembangkan di beberapa Negara untuk memenuhi kebutuhan listrik di daerah pedalaman antara lain Peltric Set di Nepal, Columbian Alternator System di Kolombia, dan Pico Power Pack di Amerika. Ketiga sistem tersebut menggunakan turbin impuls sebagai penggerak generator (Maher dkk,.2001). Kwalitas aliran jet yang dihasilkan oleh nozel dapat mempengaruhi kinerja nozel dapat mempengaruhi kinerja turbin. Penelitian tentang kasus ini dilakukan oleh Kvicinsky dkk (2002), dimana analisis aliran jet pada permukaan sudu turbin dilakukan secara numerik maupun eksperimen. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kualitas aliran jet berpengaruh pada distribusi tekanan dan medan kecepatan pada permukaan sudu sehingga daya dan efisiensi turbin akan berubah. Staubli dan Hauser (2004) menggambarkan aliran jet keluar nozel berpenampang lingkaran dalam berbagai bentuk divergensi dengan cara memodifikasi dalam berbagai sudut jarum governor pada nozel. Divergensi jet ternyata berpengaruh terhadap karakteristik jet pada permukaan sudu. Hasil modifikasi menunjukkan perubahan positif kinerja turbin, yang berarti modifikasi geometri nozel dapat menambah kualitas aliran jet yang dihasilkan nozel. Gambar : 2.1 Perbandingan Karakteristik Turbin (Staubli,Hauser.2004).
37
Embed
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Dasar Turbin Air
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Dasar Turbin Air
Sistem mikrohidro telah dikembangkan di beberapa Negara untuk
memenuhi kebutuhan listrik di daerah pedalaman antara lain Peltric Set di
Nepal, Columbian Alternator System di Kolombia, dan Pico Power Pack di
Amerika. Ketiga sistem tersebut menggunakan turbin impuls sebagai
penggerak generator (Maher dkk,.2001).
Kwalitas aliran jet yang dihasilkan oleh nozel dapat mempengaruhi
kinerja nozel dapat mempengaruhi kinerja turbin. Penelitian tentang kasus ini
dilakukan oleh Kvicinsky dkk (2002), dimana analisis aliran jet pada
permukaan sudu turbin dilakukan secara numerik maupun eksperimen. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa kualitas aliran jet berpengaruh pada distribusi
tekanan dan medan kecepatan pada permukaan sudu sehingga daya dan
efisiensi turbin akan berubah.
Staubli dan Hauser (2004) menggambarkan aliran jet keluar nozel
berpenampang lingkaran dalam berbagai bentuk divergensi dengan cara
memodifikasi dalam berbagai sudut jarum governor pada nozel. Divergensi jet
ternyata berpengaruh terhadap karakteristik jet pada permukaan sudu. Hasil
modifikasi menunjukkan perubahan positif kinerja turbin, yang berarti
modifikasi geometri nozel dapat menambah kualitas aliran jet yang dihasilkan
nozel.
Gambar : 2.1 Perbandingan Karakteristik Turbin
(Staubli,Hauser.2004).
5
2.2 Turbin Pelton
Turbin pelton merupakan pengembangan dari turbin impuls yang
ditemukan oleh S.N. Knight tahun 1872 dan N.J. Colena tahun 1873 dengan
pasang bucket pada roda turbin. Setelah itu turbin impuls dikembangkan oleh
orang amerika Lester G. Pelton (1880) yang melakukan perbaikan dengan
penerapan bucket ganda simetris, punggung membelah membagi jet menjadi
dua paruh yang sama yang dibalikkan menyamping.
Jenis turbin ini memiliki satu atau beberapa jet penyemprot air untuk
memutar piringan. Tak seperti turbin jenis reaksi, turbin ini tidak memerlukan
tabung diffuser. Ketinggian air (head) = 200 – 2000 meter. Debit air = 4 – 15
m3/s. Turbin pelton digolongkan ke dalam jenis turbin impuls atau tekanan
sama. Karena selama mengalir di sepanjang sudu-sudu turbin tidak terjadi
penurunan tekanan, sedangkan perubahan seluruhnya terjadi pada bagian
pengarah nozel. Energi yang masuk ke roda jalan bentuk energi kinetik.
Turbin pelton yang bekerja dengan prinsip impuls, semua energi tinggi
dan tekanan ketika masuk ke bucket jalan turbin dirubah menjadi energi
kecepatan. Pancaran air tersebut yang akan menjadi gaya tangensial F yang
bekerja pada bucket roda jalan. Turbin pelton beroperasi pada tinggi jatuh yang
besar. Tinggi air jatuh dihitung mulai dari permukaan atas sampai tengah-
tengah pancaran air.
Bentuk bucket terbelah menjadi dua bagian yang simetris, dengan
maksud adalah agar dapat membalikkan pancaran air dengan baik dan
membebaskan bucket dari gaya-gaya samping.
2.2.1 Komponen-Komponen Utama Turbin Pelton
Dilihat dari desainnya, turbin pelton memiliki tiga komponen utama
yaitu:
a. Rumah Turbin
Rumah Turbin merupakan komponen yang paling utama dari
turbin pelton karena dalam kinerjanya komponen ini berfungsi
sebagai tempat kedudukan runner dan penahan air yang keluar dari
sudu-sudu turbin. Agar runner tidak terendam, rumah turbin harus
6
memiliki desain yang cukup tinggi diatas muka air. Konstruksinya
harus cukup kuat untuk perlindungan dari kemungkinan bucket, sudu
maupun runner yang rusak dan terlempar saat turbin beroperasi.
Gambar : 2.2 Rumah Turbin Pelton Skala Laboratorium (Suyesh, 2019).
b. Nozel
Nozel berfungsi untuk mengarahkan pancaran air ke sudu-sudu
turbin yang diperoleh dari banyaknya kapasitas air yang masuk ke
turbin. Pada turbin pelton dikonstruksikan dengan satu nozel atau
lebih dengan memperhatikan porosnya. Poros mendatar dilengkapi
satu atau dua nozel, sedangkan turbin pelto yang berporos tegak
mempunyai sampai 6 buah nozel. Ukuran nozel yang sesuai dapat
memutar sudu lebih baik sehingga dapat meningkatkan efesiensi, daya
dan torsi turbin. Dengan meningkatnnya efesiensi turbin maka dapat
meningkatkan energi yang dihasilkan sehingga turbin air mampu
menghasilkan kinerja yang optimal dengan menggunakan energi yang
minimal.
Gambar : 2.3 Nozel Turbin Pelton (Mochtadin, 2019).
7
c. Sudu Turbin
Sudu turbin ini berbentuk seperti bucket berjumlah banyak dan
dipasang disekeliling runner. Setiap pemotongan pancaran air yang
disebakan oleh bucket pada umumnya berdasarkan gangguan atas
pancaran tersebut. Sehingga secara mendadak dan tanpa diinginkan
sebagian aliran membentur sudu dan terbelokkan. Biasanya untuk
menambah panjangnya usia runner, digunakan bahan dalam
pembuatan sudu yang lebih baik mutu dan kualitasnya, misalnya baja
tahan karat.
Gambar : 2.4. Sudu Turbin Pelton (Mochtadin, 2019).
2.2.2 Kelebihan Turbin Pelton
Kelebihan Turbin Pelton, yaitu :
a. Daya yang dihasilkan besar.
b. Kontruksi yang sederhana.
c. Mudah dalam perawatan dan teknologi yang sederhana mudah
ditetapkan di daerah yang terisolir.
2.2.3 Kelemahan Turbin Pelton
Karena aliran air berasal dari atas maka biasanya reservoir air atau
bendungan air, sehingga memerlukan investasi yang lebih banyak.
Menurut penelitian dari Pamungkas Irawan tentang ifisiensi dari bentuk
silinder tertutup dibelah dua dapat disimpulkan sebagai berikut :
8
Besarnya daya yang dihasilkan oleh sistem dipengaruhi oleh had (H),
debit (Q), percepatan grafitasi (g) dan pembebanan generator pada
tegangan yang konstan.
2.3 Prinsip Dasar dan Cara Kerja Turbin Pelton
2.3.1 Prinsip Dasar
Turbin pelton merupakan turbin impuls yang prinsip kerjanya
mengubah energi potensial air menjadi energi kinetic dalam bentuk
pancaran air. Pancaran air yang keluar dari mulut nozel diterima oleh
bucket-bucket pada roda jalan sehingga roda jalan berputar. Dari putaran
inilah menghasilkan energi mekanik yang memutar poros generator
sehingga menghasilkan energi listrik.
2.3.2 Cara Kerja Turbin Pelton
Adapun cara kerja turbin pelton ini adalah tahap pertama yang
dilakukan adalah menghidupkan saklar motor pompa yang terdapat panel
listrik yang bertujuan agar pompa berputar dan menghisap air yang
berada pada bak penampung, lalu air mengalir melalui pipa menuju ke
nozel penyemprot. Sebelum sampai ke nozel air terlebih dahulu melewati
kran dan juga alat ukur flow meter. Dan dari nozel lalu air disemprotkan
ke sudu turbin yang menyebabkan turbin serta as turbin berputar, dan air
yang disemprotkan oleh nozel ke sudu itu jatuh kembali pada bak
penampung air.
2.4 Penelitian Sebelumnya
2.4.1 Pengembangan Turbin Pelton Pra-CFD
Turbin pelton atau roda pelton ditemukan oleh Lester A. Pelton
pada tahun 1880 dan diikuti beberapa modifikasi yang diterbitkan pada
abad yang sama. Turbin Impuls yang tersedia sebelum waktu itu sangat
tidak efisiensi. Turbin pelton pertama ditampilkan pada gambar di bawah
ini.
9
Gambar : 2.5 Ilustrasi roda pelton pertama (Staubli,Hauser.2004).
Terdiri dari bucket berbentuk persegi panjang yang memiliki pembagi
di tengah untuk membagi jet secara simetris menjadi dua aliran dan
mempengaruhi aliran balik hampir sepanjang tahun 1801. Namun,
bucket pertama turbin pelton tidak memiliki potongan selalu hadir
dalam desain modern Pelton dan desain injector sangat sederhana.
Pada paruh pertama abad ke 20, turbin pelton telah berkembang
menjadi sesuatu yang lebih mirip dengan tampilannya saat ini. Ada
publikasi yang tersedia menunjukkan bentuk bucket yang memiliki
potongan seperti gambar di bawah ini.
Gambar : 2.6 Sketsa bucket yang memiliki potongan diterbitkan pada
tahun 1937 (Staubli,Hauser.2004).
Desain injector yang mencakup katup tombak seperti gambar di bawah
ini.
10
Gambar : 2.7 Sketsa nozel yang dikendalikan oleh katup tombak
diterbitkan pada tahun 1991 (Staubli,Hauser.2004).
Dan pengaturan turbin multi-jet untuk operasi poros vertical seperti
gambar di bawah ini.
Gambar : 2.8 Sketsa poros vertikal multi-jet pelton diterbitkan pada
tahun 1937 (Staubli,Hauser.2004).
11
Tata letak turbin pelton modern yang khas disediakan seperti gambar di
bawah ini.
Gambar : 2.9 Tata letak khas turbin pelton modern (Staubli,Hauser.2004).
Keterangan :
a. Runner
Runner turbin pelton pada dasarnya terdiri atas piringan dan
sejumlah bucket yang terpasang di seklilingnya. Piringan terpasang
pada poros dengan sambungan pasak dan stopper.
b. Bucket
Bucket pelton atau biasa disebut sudu yang berbentuk dua
buah bucket. Bucket didesain menggunakan perbandingan dari
gambar 2.7. hal ini berarti bahwa desain dilakukan berdasarkan
gambar. Bucket berfungsi membagi pancaran menjadi dua bagian.
Gaya pada bucket berasal dari pancaran air yang keluar dari nozel,
yang dibalikkan setelah membentur sudu, arah kecepatan aliran
berubah sehingga terjadi perubahan momentum sudu. Arah
kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum.
Gaya ilmiah yang disebut gaya impuls. Gambar 2.7 menunjukkan
pola dari bucket pelton. Desain dikontruksi dari bentuk geometric
yang sederhana, dan pola tuangan dapat dibuat dari penggambaran.
Proses terbaik untuk pembuatan bucket pelton adalah
penuangan/casting. Keuntungan dari proses penuangan adalah
12
murah. Dan dapat menghasilkan bentuk kompleks secara cepat.
Sifat-sifat material yang dibutuhkan dalam pembuatan bucket yaitu
kuat, resisten terhadap abrasi, cocok untuk penuangan dan tahan
terhadap penggunaan pada air. Contoh material meliputi :
1) Alumunium.
2) Logam campuran tembaga.
3) Besi tuang abu-abu.
4) Baja.
5) Plastic.
6) Baja lembaran.
7) Resin.
c. Cassing
Cassing turbin pelton merupakan bagian terpenting di turbin
pelton, cassing merupakan suatu kontruksi untuk menopang seluruh
bagian-bagian terpenting pada turbin pelton.
d. Nozel
Nozel merupakan bagian dari tubrin yang sangat penting, yang
berfungsi sebagai pemancar aliran air untuk menyemprot ke arah
sudu-sudu turbin. Kecepatan air meningkat disebabkan oleh nozel,
air yang keluar dari nozel yang mempunyai kecepatan tinggi akan
membentur sudu turbin, setelah membentur sudu arah kecepatan
aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum.
e. Branch Pipe
Branch Pipe atau biasa disebut pipa cabang yaitu pipa yang
berfungsi sebagai mengalirkan air ke nozel untuk disemprotkan ke
bucket turbin pelton.
Terlihat bahwa bentuk bucket telah berkembang menjadi bentuk
bulat yang lebih halus untuk mengurangi kehilangan aliran di dalamnya.
Selain itu, bucket memiliki potongan yang memastikan transisi yang
lebih baik saat jet berpindah dari satu bucket ke bucket lainnya. Selain
13
itu, injector berisi nozel dan katup tombak untuk mengontrol laju aliran
dan menjaga kualitas jet yang baik (Audrius Zidonis, dkk,. 2014).
Gambar : 2.10 Desain Bucket (Thakei,2004,Hal.33).
2.4.2 Pengembangan Turbin Pelton Pasca-CFD
Bhattarai Suyesh dkk, (2019) melakukan penelitian tentang
variasi baru dalam teknik pemodelan bucket turbin pelton untuk
meningkatkan produksi energi terbarukan dengan metode simulasi
Computational Fluid Dynamics (CFD). Hasil dari penelitian ini adalah
dengan desain bucket Elliptic yang telah divariasi desain panjang, lebar
dan kedalamannya dapat meningkatkan efisiensi sebesar 6,8% dan
otomatis akan meningkatkan daya yang diperoleh dari turbin air
tersebut.
14
Gambar : 2.11 Simulasi CFD desain bucket Elliptic (Suyesh, 2019).
Penelitian selanjutnya dilakukan oleh Anagnostopoulus John S.
dkk, (2012). Peneliti menggunakan metode simulasi Lagrangian cepat
untuk menganalisis aliran dan desain runner pada turbin pelton. Sistem
pengumpanan terdiri dari dua injektor dengan diameter nozel 0,036 m
dan diameter semburan maksimum pada Vena Contracta sekitar 0,031
m. Air disuplai dengan kecepatan variabel 3 tahap berdaya 220 kW
pompa sentrifugal dan sirkulasi air melalui 300 m3 pada tangki air
Laboratorium, titik operasi desain runner adalah 270,6 m3/h untuk head
net 129,6 m, pada kecepatan 1.150 Rpm serta dengan posisi sudut sudu
turbin sebesar 36o. Dari penelitian tersebut dapat dicapai secara
keseluruhan efisiensi sekitar 82%.
15
Gambar : 2.12 Variasi Sudut (John, 2012).
Ahmad Yani (2017) membuat rancang bangun alat praktikum
turbin air dengan pengujian bentuk sudu terhadap torsi dan daya turbin
yang dihasilkan menggunakan metode eksperimen. Peneln ini
mevariasikan bentuk sudu diantaranya terdiri dari sudu datar, sudu
lengkung, sudu sudu setengah silinder, sudu sendok nasi, dan sudu
sendok sayur. Selain itu peneliti juga mengontrol putaran turbin dari